可將高密度嵌入式閃存嵌入最先進的高性能邏輯制程
2016年12月7日，日本東京訊——全球領先的半導體解決方案供應商瑞薩電子株式會社（TSE：6723）今日宣布成功開發(fā)出全球首款（注1）分離閘金屬氧化氮氧化硅（SG-MONOS，注2）閃存單元，該單元采用鰭狀晶體管，用于配有電路線寬為16至14納米（nm）或更細的片上閃存的微控制器（MCU）。SG-MONOS技術能夠可靠應用于汽車應用，瑞薩電子目前正在采用該技術量產40納米的MCU，28納米的MCU也正在研發(fā)過程中。這一成功開發(fā)表明SG-MONOS技術對16/14納米及以上的制程節(jié)點具有優(yōu)異的可擴展性。
隨著高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）等汽車自動化方面的進步以及物聯網（IoT）連接的智能社會的發(fā)展，產生了使用更精細制程技術裝配先進MCU的需求。為滿足這一需求，瑞薩電子開發(fā)了基于16/14納米技術的嵌入式閃存，成功替代了目前最新的40/28納米技術。在16/14納米邏輯制程中，一種采用鰭狀結構的晶體管——鰭式場效應晶體管（FinFET），被廣泛用于提高性能和降低功耗，以克服傳統(tǒng)平面晶體管的擴展限制。
然而，根據閃存結構不同，嵌入式閃存采用鰭狀結構可能會面臨一大挑戰(zhàn)。目前提出和實現了兩種類型的嵌入式閃存：浮柵和電荷擷取。與浮柵閃存相比，近年來瑞薩電子一直采用的電荷擷取閃存具有更好的電荷保持特性，且在對可靠性要求較高的汽車MCU中始終表現良好。此外，由于內存功能材料是在硅襯底表面形成的，因此相對而言容易延展形成三維鰭狀結構。與之相比，浮柵閃存單元的結構復雜，因此很難將其整合到鰭狀結構中。
相較于浮柵結構，SG-MONOS具有的另一項優(yōu)勢在于用金屬柵電極替代偽多晶硅柵電極后，存儲器單元結構仍然保持不變，該工藝還用于生產帶有高介電柵極絕緣層和金屬柵電極的先進邏輯CMOS設備。
瑞薩電子是全球首家成功開發(fā)出具有高擴展性鰭狀結構SG-MONOS閃存的公司，該產品將用于16/14納米及以上工藝節(jié)點的高性能和高可靠性MCU。
新開發(fā)的嵌入式閃存技術的關鍵特性：
(1)鰭狀結構使存儲操作和晶體管特性得到顯著提升
瑞薩電子證實，在編程/擦除過程中閾值電壓的變化以及新開發(fā)的鰭狀結構SG-MONOS存儲單元的編程/清除速度均在預期范圍以內。在采用鰭狀結構的晶體管內，柵極會封閉通道，從而保持較大的驅動電流，即便為了增大集成度而顯著縮小工作區(qū)的面積。此外，通過提高柵極的可控性，顯著提高了閾值電壓的可變性。以上結果表明，鰭狀結構SG-MONOS存儲單元具有優(yōu)異的特性，能夠以下一代閃存所要求的200MHz以上頻率實現高速隨機訪問讀取，同時還可以大幅提高片上存儲容量。
(2)開發(fā)出可緩解鰭狀結構所致性能下降問題的編程方法
當使用鰭狀結構時，由于電場在鰭尖有所增強，隨著時間推移設備特性可能會出現一定退化或劣化。電場增強效果在編程操作開始時和完成后最為明顯，因此瑞薩電子對“階躍脈沖”編程法（將編程電壓逐步升高）的可行性進行了研究。該技術過去被用于采用平面結構的內存，但目前證明，其在鰭狀結構內存中對緩解鰭尖電場增強方面特別有效。經確認，對于長時間使用的鰭狀結構SG-MONOS存儲單元，該技術可以有效減少退化，而且在數據存儲閃存中編程/擦除循環(huán)次數可以達到25萬次。
(3)提供相同的高溫數據保持特性？
鰭狀結構非常適合電荷擷取MONOS閃存具有的優(yōu)異電荷保持特性。對汽車應用非常重要的數據保持時間，經過25萬次編程/擦除循環(huán)后仍可達到十年或更長時間。這一水平與早期內存達到的可靠性水平相同。
上述結果表明，通過使用16/14納米節(jié)點和以上的高介電柵極絕緣層和金屬柵電極，SG-MONOS閃存可以輕松集成到先進的鰭狀結構邏輯制程過程中，從而在100兆字節(jié)（MB）范圍內實現大容量芯片存儲，同時還能帶來高度可靠的MCU，其處理性能可以達到28納米設備的四倍以上。瑞薩電子將繼續(xù)確認基于該技術的大容量閃存的操作，并推進研發(fā)工作，力爭在2023年左右投入實際使用。
瑞薩電子秉持對汽車行業(yè)不斷創(chuàng)新和實現智能社會的承諾，計劃繼續(xù)開發(fā)用于28納米節(jié)點、16/14納米節(jié)點及以上嵌入式設備的高性能、高可靠性大容量閃存。
瑞薩電子將于12月6日在2016國際電子器件會議（IEDM 2016）上宣布新開發(fā)的嵌入式閃存技術的詳細信息，該會議將于2016年12月5日至7日在美國舊金山召開。
（注1）截止至2016年12月7日。
?。ㄗ?）MONOS表示金屬氧化氮氧化硅。在其結構中，每個硅基上的晶體管（存儲單元）都由氧化物、氮化物以及氧化物三層組成，且在頂部設有金屬控制閘級。瑞薩電子在采用MONOS閃存技術制造智能卡芯片方面擁有二十多年經驗?；谶@一優(yōu)異的成績，瑞薩電子通過開發(fā)SG-MONOS分離閘（SG）結構成功擴展了這項技術。這種新型SG-MONOS閃存嵌入在瑞薩電子微控制器內，能夠實現高可靠性、高速以及低功耗的功能。